- 주: 이 글은 믹싱 콘솔에서 게인을 설정하는 방법에 대한 내용이 아니라
음향 시스템 전체의 게인 스트럭처를 설정하는 방법에 대한 내용이다.
- 역자 주: 이 글은 음향 시스템을 구성하는 음향 장비의 아날로그 신호 연결에 대한 내용만 포함한다.
디지털 신호 입출력 연결에 대한 내용은 포함하지 않는다.
사전지식
음향 시스템에서 오디오 신호가 노이즈 플로어 레벨과 비슷하면 오디오 신호는 노이즈 신호의 마스킹에 의해 명료도가 낮아져 잘 들리지 않는다. 음향 시스템을 운영하는 경우에는 청감 특성을 저하시키는 노이즈의 최소 레벨을 사전에 결정해 주는 것이 매우 중요하다. 좋은 명료도의 확보를 위한 오디오 신호의 최소 레벨은 일반적인 음향 시스템에서 20dB 정도이며, 고품질의 프로 음향 시스템에서는 30dB 정도이다. 음향 시스템에서 사용 가능한 오디오 신호의 최소 레벨 범위를 다이내믹 레인지라고 부르는데, 노이즈 플로어에서 클리핑 레벨까지의 범위를 의미한다.
두 개 이상의 음향 장비로 구성된 모든 전기 음향 시스템은 ‘시스템 게인 스트럭처(system gain structure)’가 존재한다. 음향 시스템의 게인 스트럭처는 일반적으로 오디오 믹서와 파워 앰프 사이의 신호 체인에서 발생한다. 게인 스트럭처를 설정하는 가장 일반적인 방법은 모든 단계의 장비를 유니티 게인(unity gain)2)으로 설정하고 파워 앰프의 입력 감도를 최대로 설정하는 것이다. 그러나 음향 시스템을 구성하는 각각의 음향 장비는 최대 출력과 노이즈 플로어 레벨이 저마다 다르기 때문에, 이 방법으로는 게인 스트럭처를 최적화할 수 없다.
음향 시스템의 게인 스트럭처 최적화를 위해서는 우선 음향 시스템을 구성하는 모든 장비가 동일한 전압 레벨의 신호를 주고받을 수 있도록 정전압 연결 상태를 구성하는 것이 중요하다. 여기서 말하는 정전압 연결 상태란, 시스템 어느 지점에서든 출력 장비의 전압이 연결된 입력 장비에 의해 영향을 받지 않는 상태를 말한다. 이 연결은 일반적으로 입력 장비의 부하 임피던스가 출력 장비 임피던스의 10배 이상이 되는 것이 특징이다. 예를 들어, 출력 임피던스가 100Ω인 경우에 이 연결에 의해 구동되는 총 부하 임피던스는 1000Ω 이상이 되어야 한다는 것이다. 서로 다른 음향 장비를 1:1로 연결하는 경우에 거의 모든 프로 음향 장비는 이 기준을 충족해야만 한다.
한 가지 더 고려 해야 할 사항은 라우드 스피커의 출력이다. 파워 앰프가 라우드 스피커의 출력을 초과하지 않고 동시에 음향 시스템에 클리핑이 발생하지 않으면서 작동한다고 가정하면, 거의 대부분의 라우드 스피커는 파워 앰프에 의해 물리적으로 절대 손상되지 않는다. RMS 출력은 라우드 스피커가 지속적으로 처리할 수 있는 평균 출력을 의미하며, 파워 앰프와 연결해서 사용할 때 가장 안전하게 사용할 수 있는 라우드 스피커의 선택 기준이다. 그러나 대부분의 라우드 스피커는 RMS 출력을 초과하여 피크 신호를 처리할 수 있다. 파워 앰프를 선택할 때에도 라우드 스피커 RMS 출력의 2배(+3dB)인 제품을 선택하는 것이 일반적이다. 또한, 파워 앰프의 RMS 출력 측정에 사용되는 사인파는 피크 팩터(peak factor)3)가 3dB이기 때문에, 라우드 스피커의 RMS 출력에 대한 피크 출력 허용치는 보통 6dB 정도로 계산되는 것이 일반적이다.
따라서 피크 팩터가 6dB인 핑크 노이즈를 기준으로 하는 프로용 라우드 스피커의 출력과 일반적인 오디오 신호의 피크 팩터를 감안해 본다면, 이는 매우 안전한 수치라고 볼 수 있다. 그러나 신시사이저와 같은 장비에서 출력되는 지속적인 사인파는 시스템을 클리핑하지 않고도 라우드 스피커의 RMS 출력을 3dB 이상 초과할 수도 있기 때문에, 이런 신호로 시스템을 최대 출력 레벨로 구동하는 경우에는 라우드 스피커의 RMS 출력을 파워 앰프의 정격 출력으로 보는 것이 좋다.
우리는 음향 시스템의 게인 스트럭처에 대해 알아보기 위해, 오디오 믹서 출력에서부터 파워 앰프 입력까지 연결된 케이블의 신호 전압에 대해서 살펴볼 것이다. 편의를 위해 dB=20×log(V1/V2)의 전압 비율인 상대 dB와 0dBu=0.775V인 절대 dBu를 구분하여 사용할 것이다.
1. 게인 스트럭처 막대 그래프 그리기
<그림 1>은 6개의 음향 장비로 구성된 시스템을 막대그래프로 표시한 것이다. 각 장비의 클리핑 레벨(최대 출력)은 일반적으로 제조사의 사양서에 표기되어 있다. 이 경우에 오디오 믹서의 출력과 파워 앰프 입력 사이의 모든 장비는 유니티 게인으로 설정되어 있고, 파워 앰프의 입력 감도는 최대로 설정되어 있다고 가정한다.
각 장비의 클리핑 레벨은 막대 상단이며, 노이즈 플로어 레벨은 막대 하단이다. 오른쪽 절대 dBu 스케일에서 그 레벨을 확인할 수 있으며, 왼쪽의 상대 dB 스케일은 이 막대의 길이를 결정하는 데 사용된다. 이때, 사용 가능한 모든 오디오 신호는 막대 상단과 하단 사이를 통과해야만 한다. 그러나 ‘실질적으로’ 사용 가능한 최소 신호 레벨은 노이즈 플로어보다는 30dB 이상 높아야 한다고 보기 때문에, 현실적으로 낮은 레벨의 오디오 신호는 노이즈 플로어 근처에 있으면 안된다는 점에 유의하도록 하자.
<그림 1>에서 막대 상단이 가장 낮은 파워 앰프의 상단을 가로질러 수평선을 그어 본다. 이것이 전체 시스템의 클리핑 레벨이며 나머지 분석에서도 이 선은 동일한 위치로 유지되도록 한다. 이제 <그림 1>에서 막대 하단이 가장 높은 오디오 믹서의 아래 하단을 가로질러 수평선을 긋는다. 왼쪽 상대 dB 스케일에서 첫 번째 선과 두 번째 선 사이의 길이를 dB 스케일로 측정해 보자. 시스템의 다이내믹 레인지는 72dB에 불과하다. 이는 일반 소비자용 카세트 데크 정도 성능밖에 되지 않는다.
이제 노이즈 플로어 레벨에서 30dB 위를 뺀 ‘실질적인’ 다이내믹 레인지를 구해보자. 결과는 42dB이다. 어쿠스틱 악기나 스피치에서 필요로 하는 다이내믹 레인지는 일반적으로 40dB 이상이어야 하기 때문에, 이 시스템은 다이내믹 레인지가 충분하지 않다고 볼 수 있다.
2. 게인 스트럭처의 최적화를 위한 가장 일반적인 방법
<그림 1>의 오른쪽 절대 dBu 스케일에서 보면, 모든 장비의 최대 신호 레벨은 파워 앰프의 입력 감도 레벨인 3dBu로 제한되어 있다. 오디오 믹서가 충분한 헤드룸(headroom)을 확보했다 하더라도, 3dBu를 초과하면 파워 앰프에서는 무조건 클리핑이 발생한다.
이때 파워 앰프의 입력단에 –12dB의 패드(pad)나 입력 감쇠기(input attenuator)를 삽입하면 파워 앰프 다음으로 출력 성능이 우수한 장비인 노치 필터의 최대 출력 레벨인 15dBu에서 클리핑이 발생하게 된다. 이는 클리핑 레벨을 3dBu에서 15dBu로 +12dB 더 높힌 것이다.
<그림 2>는 왼쪽의 상대 dB 스케일을 사용하여 파워 앰프를 제외한 모든 장비의 막대를 12dB씩 아래로 이동시킨 것이다. 이제, 노치 필터의 클리핑 레벨인 15dBu가 파워 앰프 전단의 –12dB 입력 감쇠기에 의해 3dBu로 감쇠된다.
<그림 2>에서 보면, 노이즈 플로어 레벨 라인이 가장 높은 막대는 여전히 오디오 믹서다. 시스템의 클리핑 레벨을 기준으로 보면 노이즈 플로어 레벨이 <그림 1>보다 12dB 낮아졌으므로, 시스템의 전체 막대 길이가 72dB에서 84dB로 바뀌어 12dB 개선된 것을 알 수 있다. 이제 노이즈 플로어에서 30dB 위의 ‘실질적인’ 다이내믹 레인지는 54dB가 되는데, 이는 어쿠스틱 악기나 스피치를 재생할 수 있는 어느 정도의 충분한 레벨이라고 볼 수 있다.
3. 추가적인 음향 시스템 최적화 작업
추가적인 작업을 통한 음향 시스템의 최적화란, 각 장비의 입력단에 패드나 게인을 적절하게 삽입하여 해당 장비와 이전 장비의 클리핑이 같은 레벨에서 발생하도록 하는 것이다.
<그림 3>과 같은 그래프가 나오게 하려면, 필요에 따라 막대를 위아래로 이동하여 모든 장비 막대의 상단이 시스템 클리핑 레벨 라인에 정렬되도록 해야한다.
최적화 작업은 <그림 1>에서 시작하여 신호의 흐름에 따라 그래프 왼쪽에서 오른쪽으로 작업한다. 막대를 위로 이동하려면 해당 장비와 다음 장비 사이에 게인을 삽입해야 하며, 막대를 아래로 이동하려면 패드를 삽입하면 된다.
먼저 오디오 믹서 막대를 아래로 이동하여 상단이 그래픽 EQ 막대와 수평이 되도록 한다.
이 이동은 상대 dB 스케일 –6dB이며, 그래픽 EQ 입력에 6dB 패드를 추가한다.
다음은 오디오 믹서, 그래픽 EQ 막대를 모두 아래로 이동하여 노치 필터 막대 상단과 수평이 되도록 한다.
이 이동은 상대 dB 스케일 –6dB이며, 노치 필터 입력에 6dB 패드를 추가한다.
다음은 오디오 믹서, 그래픽 EQ, 노치 필터 막대를 함께 이동하여 시그널 딜레이 막대의 상단과 수평이 되도록 한다. 이 이동은 상대 dB 스케일 +3dB이며, 노치 필터와 시그널 딜레이 사이에 3dB의 게인을 추가한다.
다음은 오디오 믹서, 그래픽 EQ, 노치 필터, 시그널 딜레이의 4개 장비의 막대를 함께 이동하여 시그널 딜레이 막대의 상단이 리미터 막대와 수평이 되도록 한다. 이 이동은 상대 dB 스케일 +3dB이며, 시그널 딜레이와 리미터 사이에 3dB의 게인을 추가한다.
마지막으로 5개의 모든 장비 막대를 파워 앰프 입력과 일치하도록 낮춰야 한다. 리미터 막대의 상단을 파워 앰프 막대 상단에 맞추어 이동한다. 이 이동은 상대 dB 스케일 –18dB이며, 파워 앰프에 -18dB 입력 감쇠기(input attenuator)를 사용하여 이 작업을 수행한다.
이 모든 단계를 완료하면 <그림 3>과 같이 모든 막대의 상단이 시스템의 클리핑 레벨인 절대 dB 스케일 3dBu에 도달한다. 입력 감쇠기 이후 파워 앰프 내부에서 살펴보면, 모든 장비가 3dBu에서 클리핑되는 것처럼 보인다. 즉, 하나의 장비에서 클리핑이 발생하면 모든 장비가 같이 클리핑되도록 만든 것이다.
3-1. 의미 있는 결과
왼쪽 상대 dB 스케일을 사용하여 시스템의 클리핑 레벨 라인과 제일 짧은 막대인 시그널 딜레이 하단 사이의 길이를 측정해보자. 이제 막대 길이는 90dB이며, <그림 1>의 72dB와 비교해보면 18dB 더 높아진 레벨이다. 노이즈 플로어보다 30dB 위를 최소값으로 고려한 ‘실질적인’ 다이내믹 레인지는 60dB가 되며, 각 장비의 막대 길이를 살펴보면 사용 가능한 신호 레벨의 크기가 더 커졌음을 분명히 알 수 있다.
3-2. 노이즈 플로어
막대 그래프를 이용해 시스템의 게인 스트럭처를 설정하는 연습을 수행했다면, 이제는 시스템을 실제로 연결하고 동일한 작업을 수행해 보도록 하자. 작업 완료 후에는 라우드 스피커에서 들리는 노이즈 플로어 소리를 직접 청취해보고 평가해보자. 만약에 완전히 조용해졌다고 판단되면 최적화 작업은 마무리되었다고 볼 수 있다. 그러나 노이즈 플로어 레벨이 어느 정도 높다고 느껴진다면, 이는 다음 A, B 두 가지 경우라고 판단할 수 있다.
A. 최대 레벨이 필요 이상으로 높게 설정된 경우이다. 이는 시스템의 최대 성능이 과도하게 설계되었다는 의미이기 때문에, 파워 앰프의 입력 감도를 낮추어 보아야 한다. 그러면 노이즈 플로어 레벨은 줄어들고, 시스템의 최대 출력 레벨은 과도하다고 판단되는 만큼 감소하게 될것이다.
B. 시스템에서 사용 가능한 신호 레벨의 범위가 충분하지 않은 경우이다. 이를 해결하기 위해서는 세 가지
선택을 할 수 있는데, 이 중에서 ①과 ②는 완벽한 해결 방법이라고 보기는 어렵다.
① 노이즈를 그대로 인정하고 그냥 필요한 최대 레벨을 달성한다.
② 파워 앰프 입력 감도를 낮추어 노이즈를 적정한 레벨로 만든다. 물론 이렇게 하면 시스템의 최대 출력
레벨이 줄어드는 부분은 감수해야 한다. (③을 선택하지 않는 이상, ①과 ②를 동시에 수행 할 수는 없다.)
③ 시스템의 주요 노이즈 원인이 된다고 판단되는 장비를 성능이 좋은 것으로 바꾸어 본다.
3-3. 분석
자. 이제 모든 시스템에 대해 적절한 시스템 게인 스트럭처를 설정하고자 할 때에는 막대그래프를 만들어 유사한 방식으로 적용하면 된다. 약 +30dB에서 -120dB까지 절대 dBu 스케일 그래프 용지를 사용하여 표시할 수 있으며, 상대 dB도 동일한 그래프 스케일을 사용하며 막대 길이로 dB 값을 측정할 수 있다.
간단한 수학을 사용하여 이 과정을 수행할 수도 있고, 막대그래프로 작업하고 싶다면 직사각형 종이를 가위로 오려서 직접 진행할 수도 있다. 각각의 길이는 장비의 클리핑 레벨과 노이즈 플로어 사이의 dB 값과 같아야 한다.
각 장비의 클리핑 레벨을 해당 막대에 적어 넣고, 이 숫자와 절대 dB 스케일을 사용하여 그래프 종이 위에 각 막대의 상단을 신호 흐름 순서대로 왼쪽에서 오른쪽으로 배치해보자. 상대 dB 스케일을 사용하여 길이를 측정하고 앞에서 설명한대로 종이 막대를 잘라 그래프에서 위아래로 이동해본다. 이렇게 하면 계산기를 사용하는 것보다 더 빠르게 필요한 패드와 게인을 결정할 수도 있다.
작업의 결과를 확인하는 방법은, 첫 번째 장비의 최대 출력에서 시스템에 모든 패드와 게인의 dB 값을 합산하는 것이다. 여기에는 파워 앰프의 입력 감쇠기도 포함된다. 이 때 전체 계산의 결과는 파워 앰프의 최대 입력 감도와 일치해야 한다.
4. 실제 시스템에서의 최적화 수행
실제 음향 시스템에서 최적화를 수행하려면 종이 막대를 사용했던 과정을 실제로 수행하면 된다. 즉, 오디오 믹서 출력에서 시작하여 다음 장비를 클리핑 레벨로 구동하기 위해 최대 출력 신호를 조정하는데 필요한 게인이나 패드를 찾으면 된다.
장비의 사양을 굳이 알 필요는 없다. 시스템을 살펴보면 최대 출력 레벨 측면에서 해당 사양이 무엇인지 알 수 있다. 종이 막대로 하는 연습을 통해 이해했듯이 장비의 노이즈 플로어는 스스로 알아서 처리된다. 앞의 예에서 시그널 딜레이와 같은 장비는 가장 취약한 부분이 될 수 있다. 이럴 경우에는 최대 출력에 대한 노이즈 플로어 막대 길이가 긴 장비, 즉 S/N비가 더 나은 장비로 교체하는 것 외에는 별다른 대안이 없다.
시스템에서 패드나 게인 값을 조정했을 때, 장비의 제조 과정에서 생기는 제품마다의 물리적인 차이, 또는 음향 장비의 기술 사양서에 다소 보수적으로 표기된 수치때문에 몇 dB 정도의 다이내믹 레인지가 좀 더 확보될 수는 있다. 만약에 실제 결과가 이론상 계산과 크게 다르다면, 실제 장비의 배선 불량이나 고장의 문제가 있을 수도 있다는 것을 알아두자.
4-1. 무엇을 컨트롤할 것인가?
시스템의 게인 스트럭처를 설정할 때에는 장비 사이에 패드나 게인을 삽입할 수 있으며, 장비 자체에 입력 레벨 컨트롤이 있는 경우에는 이것을 사용하면 된다. 이 때, 장비의 출력 레벨 컨트롤은 항상 최댓값으로 설정해야 한다. 그 이유는 출력 레벨 컨트롤이 내부 회로에서 출력 커넥터 이전 마지막 단계에 위치하지 않는 경우가 많기 때문이다. 일반적인 입력 레벨 컨트롤과는 달리 일부 출력 레벨 컨트롤은 실제로 게인을 조정하지 않는 경우가 대부분이기 때문에, 출력 레벨을 컨트롤하면 신호 레벨이 다음 장비와 맞춰져 있더라도, 출력단의 다이내믹 레인지가 오히려 줄어들어 오히려 상황이 안좋아질 수 있다.
출력 레벨의 컨트롤은 출력 커넥터로 전달되는 신호가 단순한 감쇠 컨트롤임을 확실히 알고 있는 경우에만 사용하도록 한다. 만약에 출력 레벨 컨트롤이 최대값 이외의 설정으로 조정되면 출력 임피던스가 변할 수 있으며, 이는 전체 게인 스트럭처 설정에 문제를 일으킬 수도 있다.
4-2. 필요한 장비
시스템에서 클리핑 레벨을 찾으려면 오실로스코프와 핑크 노이즈 신호를 사용하도록 한다. 사인파는 한 번에 하나의 주파수만 표시하므로 일반적으로 권장하지 않는다. 핑크 노이즈는 20Hz – 20kHz의 전대역이어야 하며, 피크 팩터가 최소 6dB 이상이어야 한다. 만약에 피크 팩터가 10dB인 신호를 찾을 수 있다면 실제 오디오 신호를 더 가깝게 시뮬레이션할 수도 있다.
만약에 사인파를 사용해야 한다면, 모든 주파수 대역을 매우 주의 깊게 확인해야 한다. 특히 사인파를 사용하여 디지털 크로스오버나 필터와 같은 장비를 측정할 때에는 주파수를 크로스오버 각 주파수 대역의 중심 주파수, 또는 필터의 대역 통과 중심 주파수로 설정하여 측정해야 한다.
4-3. 실제 컨트롤
우선 핑크 노이즈 신호를 오디오 믹서에 입력한다. 오실로스코프를 보면서 클리핑 레벨로 출력되도록 설정하고, 오디오 믹서 출력에서도 클리핑이 발생하도록 한다. 이 때, 마스터 페이더를 살짝 줄이면 클리핑이 발생하지 않아야 한다. 만약에 페이더를 살짝 줄였는데도 클리핑이 계속 발생한다면, 출력 페이더 전단에서 클리핑이 발생하고 있다는 것을 의미한다. 이 때 오디오 믹서의 출력 레벨미터 값은 게인 스트럭처를 설정한 후 시스템이 최대 출력에 도달했을 때 미터에 표시되는 값이 된다.
수행이 완료된 후에 시스템 노이즈 레벨이 충분히 낮다고 느껴지면, 파워 앰프의 입력 레벨 컨트롤 설정을 약간 높일 수도 있는데, 이렇게 설정하면 오디오 믹서가 약간 더 민감하게 작동하게 된다. 반대로 파워 앰프의 입력 레벨 컨트롤을 약간 낮추면 시스템의 마지막 장비 전에 있는 다른 장비가 먼저 클리핑 될 수 있으며, 이는 파워 앰프가 최대 출력에 도달하지 못한다는 의미가 된다. 따라서 최적의 게인 스트럭처 설정을 이미 마친 상태에서 파워 앰프의 입력 감도를 높이거나 낮추는 작업은 아무런 의미 없는 행동이라고 보면 된다.
그러나 예외적인 방법이 있을 수 있다. 파워 앰프의 입력 레벨을 낮춰서 운영하면 파워 앰프가 클리핑 레벨에 도달하기 전에 시스템이 최대 출력에 도달했다고 오디오 믹서의 레벨 미터에서 표시된다. 이러한 방법은 기술적으로 능숙하지 않은 믹싱 엔지니어가 본인이 시스템을 한계까지 밀어붙이고 있다고 생각하지만, 파워 앰프에는 여전히 마진이 남아있을 수 있게 해주는 경우에 매우 효과적이며, 라우드 스피커를 보호하는데도 도움이 될 수 있다. 그러나 시스템의 최대 출력이 가능한 레벨 이하로 제한된다는 점을 명심해야 한다.
5. 좀 더 복잡한 경우의 최적화 작업 수행
지금까지는 간단한 시스템에서 게인 스트럭처를 최적화하는 방법에 대해 살펴보았다. 여기부터는 게인 스트럭처가 좀 더 복잡해진다. 그러나 기본적인 방식은 동일하며 단지 특정 장비의 기능, 또는 더 많은 신호 경로에 대해 생각하기만 하면 된다.
5-1. 게인(gain) / 손실(loss) 및 EQ가 있는 장비
1~3장에서는 음향 시스템의 신호 체인 안에 있는 장비가 게인이 없는 유니티 게인 장비라고 가정했다. 그러나 실제 장비에는 게인이나 손실, 시스템 튜닝에 필요한 EQ가 장착되어 있을 수 있다. EQ를 부스트한다는 것은 장비에 게인을 추가하는 것과 같다고 볼 수 있다.
EQ를 부스트하면 <그림 4>에 표시된 것처럼 장비 막대의 입력이 장비 막대의 출력 아래로 이동한다. 이동한 길이는 이 장비의 게인, 또는 EQ에서 부스트한 dB 값이 되는데, <그림 4>의 경우에서는 부스트 레벨이 최대 6dB로 제한된다고 가정한다. 이전 장비의 막대 상단은 입력 라인에 맞추고, 다음 장비의 막대 상단은 출력 라인에 일치시킨다.
실제 시스템에서 게인을 조정하는 경우에는 먼저 EQ를 플랫 상태로 두고 시스템의 게인 스트럭처를 설정한 후에 EQ를 조정하도록 한다. 다만 EQ의 모든 대역을 줄여서 설정한 경우에는 그대로 두어도 된다.
경우에 따라서는 장비에서 신호 레벨의 손실이 발생할 수도 있다. 손실이 발생하는 경우는 게인의 경우와 비슷하지만, 장비 막대의 출력이 장비 막대의 입력 아래쪽으로 dB 손실만큼 이동된다는 점이 다르다. <그림 4>의 예에서는 리미터의 스레숄드가 리미터를 통과하는 최대 신호가 최대 출력보다 6dB 낮게 설정되어 있다고 가정한 경우이다. 여기서 입력단은 이전 장비의 막대 상단과 일치시켜야 한다. 따라서, 리미터 이전의 레벨은 상대적으로 6dB 더 높으며, 노이즈 플로어를 포함한 모든 것이 6dB 상승한다. 시스템의 다이내믹 레인지는 여전히 시그널 딜레이에 의해 결정되는데, 전체 그래프상에서 여전히 가장 길이가 짧은 ‘막대’가 시그널 딜레이이기 때문이다.
5-2. 분기 회로
오디오 믹서에서 여러 개의 서브 시스템으로 신호가 분기되어 공급되는 회로 시스템을 생각해 보자. 각각의 분기 회로는 개별적으로 분석하되, 모든 분기 회로에 <그림 5>의 믹서와 같은 공통 소스를 포함해야 한다. 이런 경우에는 공통 소스와 모든 분기 회로가 동시에 클리핑되도록 시스템을 최적화하면 된다. 이를 위해 믹서는 <그림 5>와 같이 각 분기 회로마다 개별적인 패드를 거쳐 신호를 공급해야한다. 이 때, 각각의 분기 회로마다 다이나믹 레인지가 서로 다르다는 점에 유의하자.
실제로 분기 회로 간에 음향적 밸런스를 맞추기 위해서는 최적화된 게인 스트럭처와는 별도의 분기 회로별 운영 레벨이 필요할 수 있다. 예를 들면, 언더 발코니 스피커와 센터 스피커가 같이 구성되어 운영되는 시스템이 이에 해당된다. 이러한 경우에 운영 레벨의 밸런스를 맞추기 위해서는 레벨이 가장 낮은 분기 회로를 기준으로 운영 레벨을 맞추는 것이 좋다. 그리고 이 외의 다른 분기 회로는 파워 앰프의 입력 감쇠기로 출력 레벨을 줄여서, 기준이 되는 분기 회로와 적절한 밸런스를 맞추도록 한다. 이런 방식은 기준 회로가 아닌 다른 분기 회로의 노이즈 플로어 레벨을 낮추고 최대 출력을 줄여주는 효과를 부가적으로 얻을 수 있다.
그러나 언더 발코니 스피커를 클리핑시키지 않기 위해 센터 스피커의 최대 출력을 상당히 크게 줄여야 하는 상황이 된다면, 이는 오히려 언더 발코니 스피커의 전력이 부족하다는 뜻이기 때문에, 센터 스피커를 감쇠하는 대신에 언더 발코니 스피커의 파워 앰프 앞에 게인을 추가하는 방법을 사용할 수도 있다. 그러나 이렇게 하면 시스템의 밸런스는 맞춰지지만, 거꾸로 언더 발코니 스피커를 구동하는 파워 앰프가 센터 스피커를 구동하는 파워 앰프보다 먼저 클리핑 상태가 될 수도 있으므로 주의해야 한다.
따라서 이런 상황에서는 언더 발코니 스피커를 구동하는 파워 앰프의 전력 용량을 늘리는 것이 유일한 방법이 된다.
5-3. 크로스오버
크로스오버는 각별한 주의가 필요하다. 핑크 노이즈와 같이 옥타브 대역당 에너지가 동일한 풀레인지 신호를 생각해 보자. 크로스오버는 핑크 신호의 총 에너지를 두 개 이상의 주파수 대역으로 나누게 되는데, 전체 대역의 크로스오버 입력 신호와 비교해 보면 각각의 차단 대역(stop band) 출력에서 고유한 신호 손실이 발생한다. 사실상 크로스오버는 풀레인지 신호가 공급될 때, 유니티 게인 장비가 아니다. 다음과 같은 방법을 사용하여 각 주파수 대역의 총 에너지가 얼마인지 계산하면 이런 손실을 대략적으로 추정할 수 있다.
예: 주파수 대역이 50Hz – 125Hz, 125Hz – 500Hz, 500Hz – 10kHz으로 나누어진 3웨이 크로스오버.
1. 해당 대역의 가장 높은 주파수에 도달할 때까지 각 대역의 가장 낮은 주파수에 2를 곱한다.
곱한 횟수 = 옥타브 수. 각 대역의 결과를 가장 가까운 전체 옥타브로 반올림한다. [1, 2, 4]
2. 모든 대역의 총 옥타브를 더한다. [7]
3. 각 밴드의 옥타브를 총 옥타브로 나눈다. [0.14, 0.29, 0.57]
4. 각 결과에 대해 LOG 값을 구한다. [-0.9, -0.6, -0.2]
5. 각 결과에 10을 곱하여 대략적인 손실을 찾는다. [-9dB, -6dB, -2dB]
이제 크로스오버 막대의 출력 쪽에 수평선을 그려야 한다. 위에서 찾은 각 대역 출력의 dB 스케일 손실과 동일한 길이에서 막대 상단 아래쪽에 이 선을 그린다. 각 대역 크로스오버 출력에 대한 이 선은 파워 앰프의 막대 상단과 일치시키는 데 사용된다. 이 예에서는 파워 앰프의 입력 감도가 동일하다고 가정하면, 각 대역 출력마다 서로 다른 수치의 패드가 필요하게 된다.
실제 시스템에서 파워 앰프의 입력 레벨은 시스템의 밸런스를 맞추기 위해 5-2장에서 언급한 분기 회로와 유사한 방식으로 컨트롤된다. 일반적으로 서브 우퍼 회로와 같이 가장 크게 키우고 싶은 주파수 대역을 기준 출력으로 사용한 다음, 파워 앰프 각각의 입력 레벨을 낮춰서 다른 대역과 밸런스를 맞추도록 한다.
5-4. 밴드 리미트 기기 (LPF, HPF)
하이패스, 또는 로우패스 필터와 같이 주파수 응답을 제한하는 장비에 풀레인지 신호가 입력되는 경우에는, 입력에서 출력까지 과정에서 에너지 손실이 발생한다. 디지털 크로스오버에 대해 이전 5-3장에서 설명한 것과 동일한 과정을 사용하여 이 손실을 계산해보자. 풀레인지 신호의 상당한 에너지는 대략 9옥타브 범위(약 30Hz~15kHz)에 걸쳐 있다.
예: 언더 발코니 주파수 대역은 일반적으로 150Hz – 5kHz로 제한된다.
1. 장비의 최고 주파수 한계에 도달할 때까지 장비의 최저 주파수 한계에 2를 곱한다.
곱한 횟수 = 옥타브 수. 결과를 가장 가까운 전체 옥타브로 반올림한다. [5]
2. 옥타브 수를 9개의 풀레인지 옥타브로 나눈다. [0.56]
3. 이 결과에 대해 LOG 값을 구한다. [-0.3]
4. 이 결과에 10을 곱하여 대략적인 손실을 구한다. [-3dB]
이제 장비 막대의 출력 쪽에 수평선을 그려야 한다. 이 선은 위의 <그림 4>에서 찾은 것과 같은 dB 스케일의 손실과 동일한 막대 상단 아래 길이에 그려진다. 이 선은 장비 막대를 다음 장비의 막대 상단과 일치시키는 데 사용된다.
6. 시스템 리미팅
게인 스트럭처 최적화가 이미 완료된 상태에서 시스템 리미팅의 목적은 신호가 시스템의 최대 레벨을 초과하여 운영되는 것을 완벽하게 방지하는 것이다. 시스템 리미팅은 ‘비상용(emergency)’으로 사용되며, 최대 출력 레벨을 절대 초과하지 않도록 단단히 제한해야 한다. 따라서 소프트 니(soft knee) 스레숄드가 있는 리미터/컴프레서는 장비 보호에 적합하지 않으며, 특정 레벨까지는 전혀 반응이 없다가 특정 스레숄드 레벨을 넘어서면 급격한 상승을 차단하는 장비가 적당하다. 장비의 최대 입력과 스레숄드 사이에는 어느 정도의 여유가 필요하기 때문에, 리미터를 적절하게 구현하지 않으면 시스템의 다이내믹 레인지에 문제가 발생할 수도 있다.
시스템 리미팅은 다른 음향 장비와 마찬가지로 입출력, 노이즈 플로어 레벨 및 게인 설정을 적용해야 한다. 리미터는 작동 방식 때문에 스레숄드 설정을 최대 입력으로 해야 하며, 제대로 작동하려면 스레숄드를 이전 장비의 최대 출력 신호보다 최소 3dB 정도 낮게 설정하는 것이 좋다. 리미터의 출력 게인을 조정하여 스레숄드에서 최대 출력을 공급하는 장비의 입력 레벨보다 약 2dB 정도 낮게 조정하도록 하자. 이렇게 하면 시스템 보호를 위한 약간의 ‘여유(margin)’가 생긴다.
내용을 종합해보면, 게인 스트럭처가 이미 최적화된 시스템에서 리미터가 완벽하게 작동할 수 있는 유일한 지점은 신호 소스의 출력 부분이 된다. 즉, 시스템에 대한 입력 레벨이 첫 번째로 공급되는 장비에 클리핑을 허용하지 않도록 설정하는 것이 제일 중요하다. 이는 한 번에 하나의 신호 소스만 사용하는 신호 체인의 경우에 실용적이다. 여러 입력 소스를 서로 스위칭하여 전환하여 사용하는 경우에는 스위처의 출력단에 리미터를 배치하는 것이 좋다.
만약에 여러 개의 믹싱 소스가 있고, 시스템의 게인 스트럭처가 적절하게 설정되어 있다면 리미터를 배치할 수 있는 차선 위치는 믹서 출력단이 된다. 시스템의 최대 출력을 초과하는 모든 믹서 출력 전압은 시스템 어딘가에서 클리핑이 발생하기 때문이다. 여러 개의 분기 시스템을 사용하는 경우에는 각 분기점마다 리미터를 사용해야 한다고 생각할 수 있다. 그러나 분기 시스템마다 적절한 게인 스트럭처를 설정한 상태가 아니라면, 한 번에 전체 시스템에 리미팅이 작동하거나 시스템의 일부만 리미팅이 작동하고 다른 부분은 리미팅이 작동하지 않아 오히려 음향적인 밸런스가 깨지는 현상이 생길 수 있다. 따라서 메인 출력단에 단일 리미터를 사용하고 운영자가 직접 컨트롤하는 것이 가장 합리적인 방법이라고 볼 수 있다. 여기서 ‘운영자가 직접 컨트롤’한다는 것은 별도의 서브우퍼 출력 컨트롤과 같이 입력되는 신호의 프로그램 성격에 따라 음향 밸런스가 운영자에 의해 별도로 ‘믹싱’되는 출력을 의미한다. 믹서에서 클리핑이 발생되지 않도록 스레숄드가 초과되는 시점을 운영자가 시각적으로 확인하고 컨트롤할 수 있어야 한다.
이때 리미터는 특정 스레숄드를 초과하는 모든 부분을 강력하게 제한하는 특성을 가진 ‘하드 라인 디바이스(hard line device)’이어야 하므로, 압축 비율을 10:1 이상의 최대로 설정해야 한다. 이때, 어택 및 릴리스 설정은 게인 스트럭처에 영향을 미치지 않는다. 그러나 리미터는 비상 보호 장비로만 작동하도록 설계되기 때문에, 가장 빠른 어택 및 릴리스 타임을 사용하는 것이 좋다. 여기서 음질은 고려 대상이 아니며, 오버 드라이브 상태로부터 시스템을 보호하는 것이 가장 중요하다. 음질이 중요하다고 생각한다면 오산이다. 여기서 중요한 것은 리미팅이 발생될 일이 거의 없는 더 강력한 시스템이다. 만약에 운영하고 있는 시스템이 지속적으로 리미팅이 되고 있는 상태라면 애초에 설계가 잘못되었다고 보면 된다.
결론
음향 시스템을 구성하는 모든 장비는 입출력 레벨과 노이즈 플로어 레벨이 각각 다르기 때문에 게인 스트럭처 설정에 여러 가지 문제가 생길 수 밖에 없다. 음향 시스템의 게인 스트럭처를 올바르게 설정하는 가장 쉬운 방법은, 각각의 장비를 전체 신호 경로와 관련해 분석하는 것 외에는 없다. 다행히 필요한 모든 기술 정보는 장비의 기술 사양서에서 쉽게 찾을 수 있다. 사용자는 장비를 구입하고 연결하기 전에 종이에 게인 스트럭처를 막대그래프 형태로 먼저 작성한 후에, 잠재적인 문제를 발견하고 적절하게 대처해야 한다. 음향 시스템의 게인 스트럭처를 최적화하면 경우에 따라서 시스템의 다이내믹 레인지와 노이즈 플로어가 획기적으로 개선될 수 있다. 앞의 예제에서 음향 시스템의 다이내믹 레이인지를 18dB 개선한 것은 상당히 놀라운 것이라고 볼 수 있다. 
